CN103152752B - 基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议 - Google Patents

Abstract

基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，属嵌入式无线测控技术领域。IEEE802.15.4g是近两年IEEE协会制定的名为SUN的物理层标准，它在IEEE802.15.4标准基础上对物理层进行了补充，特别适用于超低功耗、远距离传输和上佳的抗噪声性能的电池驱动供电的基础设施类传感器网络。尽管目前IEEE802还在推进标准化工作，但草案规格已基本确定，因此有必要及时对这套标准进行跟踪与研究，并基于该底层标准设计研发一套应用于智能电网测控领域的具有超低功耗无线上层通信协议。本发明协议针对星型网络拓扑结构，对网络协调器节点和传感器节点的工作方法步骤分别进行设计，具有低速率、超低功耗、低复杂度等特点。

Description

基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议

技术领域

本发明涉及一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，属于嵌入式无线测控技术领域。

背景技术

智能电网技术是出现于21世纪的一种新型电子技术，提升了20世纪电网基础设施，使家庭和企业与公共设施间能够进行双向通讯。目前，有旨在推进近距离无线通信标准化的IEEE802.15工作组中任务组4已经开始制定以智能电表通信方式为目标的名为“SUN(SmartUtility Networks/Smart Utility Neighborhood)”补充标准IEEE802.15.4g。该补充标准的制定，将有利于大大降低智能仪器仪表的通信时的功耗，而且有助于增加传输的稳定可靠性。尽管目前IEEE802.15组还在推进标准化工作，但草案规格已基本确定，因此有必要及时对这套标准进行跟踪与研究，并基于该底层标准设计研发一套应用于智能电网测控领域的具有超低功耗无线上层通信协议，进一步推进智能电网通信技术的发展。

在《现代电子技术》第312期的东南大学薛敏迪发表的《基于nRF905的低功耗温湿度无线测量系统》一文中所描述的无线测控系统，该系统以ATmega16L为主控制芯片，利用nRF905无线传输模块接收温湿度数据，然后利用MAX3232上传给PC机。尽管该系统实现了温湿度的实时显示以及监测功能，而且运行稳定，但还存在以下不足：

1、该系统的软件流程部分没有设计动态调整功率阶段，而是传感器节点以固定功率与终端进行通信，一方面这会使传感器节点不会达到正常通信状态的最小功率，从而不会使传感器节点的耗电量降至最小，另一方面，随着通信距离的增加，传感器节点若仍以此固定功率与终端通信则可能导致通信不上。而若引进调整功率阶段，则传感器节点会根据通信状况相应的进行功率调整，从而调整到能够正常通信的最小功率。

2、该系统软件流程无法根据周围环境因素变化的需要，实现动态的调整采集数据的时间间隔，和动态的添加或删除节点等功能。此系统若想实现调整采集时间间隔和添加或删除节点等功能，则必须对整个系统进行重启操作。

3、该系统的微处理器芯片工作电流为1.1mA/MHz，低功耗休眠模式下电流为20uA，而微处理器MSP430F5438A工作电流仅为165uA/MHz，低功耗休眠模式下电流低至2.6uA；而且其所用nRF905的无论通信距离、性能和功耗都不如符合IEEE802.15.4g协议的CC1120芯片。

在《山东理工大学学报(自然科学版)》2009年第23卷第2期李彬,李业德,程海涛发表的《低功耗无线测温系统的设计》一文中所描述的低功耗无线测温系统，该系统选用集射频与微控制器于一身的无线单片机CC2430，软件上采用ZigBee协议栈，构成了结构简单、功耗低的星型网络，完成了网络各结点间的通信。尽管该系统具有良好的节能性、较好的稳定性，但还存在以下不足：

1、ZigBee协议栈本身存在一定的弊端，例如若网络协调器因掉电或其他原因不能正常工作，需要重启时，此时所有传感器节点都需要重新启动，否则传感器节点会尝试连接到其他网络中。还有如果需要组成较为复杂的树状或者网格网络时，则消耗的功率必然会增大，而且网络链路会相对的不可靠。

2、由于国内ZigBee使用的频段是2.4GHz，该频段相比于1GHz以下频段，其传输距离短，传输过程衰减大，信号的穿透、绕射能力弱，而且多路径传播负面效应较大，另外该频段目前已经十分拥挤，还存在WIFI、蓝牙等多种不同标准，相互之间的干扰较大。

发明内容

本发明的目的在于跟踪前沿标准的基础上克服现有技术的不足，提出了一种基于IEEE802.15.4g标准的新型低功耗无线测控通信协议。本协议采用名为SUN的IEEE802.15.4g作为底层通信标准，采用星型拓扑网络对无线传感器网络中的节点进行监测与控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，采用星型拓扑网络对无线传感器网络中的节点进行监测与控制，无线传感器网络包括PC上位机、网络协调器节点和传感器节点，其中所有的传感器节点均与网络协调器节点通过无线射频来传递信号；网络协调器节点与PC上位机相连接；网络协调器节点包括微处理器、CC1120射频通信模块、USB转串口模块、电源管理模块、Jtag接口和USB接口，其中CC1120射频通信模块、USB转串口模块、电源管理模块、Jtag接口分别与微处理器相连接，USB转串口模块和电源管理模块分别与USB接口相连接，USB接口通过数据线与PC上位机相连接；传感器节点包括微处理器、CC1120射频通信模块、Jtag接口、供电模块、温度传感器，其中CC1120射频通信模块、Jtag接口、供电模块、温度传感器分别与微处理器相连接。网络协调器节点负责网络的建立、管理和维护工作，同时还负责与PC上位机进行数据通信，能够接收处理来自PC上位机的命令或者将从传感器节点采集的传感数据上传至PC上位机，从而方便管理人员实时掌握被监测地区的各项环境指标；而大量的传感器节点广泛分布在被监测地区的不同地点，负责采集监测地点的各类传感数据，通过传感器节点中的CC1120射频通信模块将数据发送给网络协调器节点进行处理；

网络协调器节点的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段两步，其中网络协调器节点的初始化及组网阶段的步骤如下：

(1).上电自启动，网络协调器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；

(2).网络协调器节点初始化阶段完成以后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送来的组网命令，此时网络协调器节点会向所有传感器节点（所有传感器节点地址初始化为统一的0x00）发送广播命令，传感器节点收到此命令后会将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；

(3).完成上述过程后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的调整功率命令，网络协调器节点会依次与每个传感器节点进入动态调整功率阶段，其中通信双方在初始化阶段均设定为最大输出功率；

(4).上述阶段完成后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的修改定时器命令，此命令中包含休眠时间间隔，此时网络协调器节点将依次向每个传感器节点发送修改定时器的命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为此节点仍在星型网络中；若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该节点；

(5)．网络协调器节点在与每个传感器节点通信完成后，将会以上述接收到的休眠时间间隔启动定时器，开始定时，网络协调器节点随即进入低功耗休眠模式，等待串口中断或定时中断的到来；

至此，网络协调器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：

a.当有中断到来时，网络协调器节点会从低功耗休眠模式下唤醒，此时会判断是何种中断到来，若为串口中断则网络协调器进入步骤b；若为定时中断，则进入步骤d；

b.若为串口中断到来，网络协调器节点将对PC上位机命令进行解析处理，判断是何种命令，进而执行相应的处理程序；

若网络协调器节点接收到修改定时时间命令，则网络协调器节点会根据接收到的定时时间修改定时器，然后在下次发送休眠命令时将新的定时时间发送给传感器节点，传感器节点也会相应的修改它的定时时间，此后网络协调器节点和传感器节点将都能够以新的采集间隔时间进行休眠，双方的定时器也将以新的定时时间开始计时；

若网络协调器节点接收到增加节点命令，则网络协调器节点根据增加的节点个数，多分配相应的存储空间，来存放新增加传感器节点的地址；

若网络协调器节点接收到删除节点命令，则网络协调器节点根据删除的节点个数，来删除相应的地址存储空间；

c.当网络协调器节点处理PC上位机命令完成以后，判断定时中断标志位是否置位，若定时中断标志位没有置位，则表明定时时间还没有来临，则网络协调器节点进入步骤h；若该标志位已经置位，表明在网络协调器节点对PC上位机命令处理过程中，定时中断来临将此标志位置位，等待将串口命令处理完成后，网络协调器节点将进入步骤d；

d.若定时中断来临，则网络协调器节点进入正常的采集数据阶段，此时网络协调器节点会首先关闭串口中断，然后网络协调器节点将依次与每个传感器节点进行通信；

e.首先判断该传感器节点是否在线；

若该传感器节点在线，网络协调器节点将向其发送采集命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的传感数据，则将传感数据上传至PC上位机进行显示；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的传感数据，则网络协调器节点再次发送同样的采集命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的传感数据，若重复发送三次同样命令后仍没收到发回的传感数据则直接跳过该传感器节点的上传数据阶段并认为该传感器节点失去连接；

若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的采集上传过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送采集命令、接收传感数据、上传数据阶段，进入步骤f；

f.当网络协调器节点采集上传完某个传感器节点的数据后，网络协调器节点将向该传感器节点发送休眠命令，在发送休眠命令前，网络协调器节点首先判断该传感器节点是否在线：

若该传感器节点在线，则网络协调器节点将向其发送休眠命令，若网络协调器节点收到传感器节点发回的确认信号，则认为该传感器节点在线；若没收到发送回的确认信号，则再次发送同样的休眠命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该传感器节点；

若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送休眠命令、接收确认信号阶段；

当网络协调器节点与该传感器节点通信完成以后，其中通信完成包括采集上传完成和发送休眠命令完成这两个阶段，也包括两阶段中任一阶段通信失败的情况，网络协调器节点会判断是否与所有传感器节点都通信过，若没有，则网络协调器节点将与下一个传感器节点进行通信，网络协调器节点重新进入步骤e；若网络协调器节点与所有传感器节点都通信完成，则网络协调器节点进入步骤g；

g.网络协调器节点将定时中断标志位清零，然后以预先设置的定时时间启动定时器，定时开始，同时开启之前已经关闭的串口接收中断；

h.网络协调器节点重新进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断或串口中断的到来，此后，网络协调器节点将一直循环上述过程。

上述通信协议的网络协调器节点的工作方法中，初始化及组网阶段中步骤(3)、正常工作阶段中步骤e和步骤f所述的网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，步骤如下：

(1).网络协调器节点首先将调整为最大输出功率的命令发送给传感器节点，若该传感器节点接收到此命令，将自身输出功率设置为最大输出功率，然后向网络协调器节点发送回确认信号；

(2).若网络协调器节点没有收到此确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为此传感器节点失去连接；若网络协调器节点收到此确认信号，则认为在此输出功率级别下，传感器节点能与网络协调器节点进行通信，然后网络协调器节点会将降低一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，传感器节点收到此命令，将自身输出功率降低一级，然后向网络协调器节点发送回确认信号；

若网络协调器节点没有收到确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为此输出功率级通信失败；

若网络协调器节点收到此确认信号，则认为在此输出功率级别下，传感器节点能与网络协调器节点进行通信，然后网络协调器节点会再次将降低一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，重复上述过程，直至传感器节点的输出功率调整至最低输出功率或在某一级输出功率处网络协调器节点收不到确认信号；

若传感器节点功率调整至最低输出功率，仍可与网络协调器节点进行通信，则传感器节点将以最低输出功率与网络协调器节点进行通信，调整功率阶段也随即结束；

若传感器节点重复降低自身输出功率至某一级输出功率处网络协调器节点收不到传感器节点发送回的确认信号，则进入步骤(3)；

(3).网络协调器节点会将升高一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为传感器节点将自身输出功率升高一级，并以此输出功率进行通信，调整功率阶段也随即结束；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则说明通信网络不稳定（因为之前传感器节点可以以此输出功率进行通信，降低一级输出功率后传感器节点不可以通信，然后传感器节点重新再升高一级至此输出功率，此时却不可以通信了），进入步骤(4)；

(4).此时网络协调器节点会向传感器节点发送调整为最大输出功率的命令，传感器节点收到此命令后会将自身输出功率设置为最大输出功率，然后向网络协调器节点发送确认信号，若网络协调器节点收到此确认信号，则传感器节点以最大输出功率进行通信，若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则网络协调器节点认为此传感器节点失去连接，至此调整功率阶段完成。

注意：1、网络协调器节点每次向传感器节点发送功率调整命令后，若没有收到确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号；若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到传感器节点发回的确认信号则认为此输出功率级通信失败。2、由于网络协调器节点供电方式的灵活性与多样性，因此可以不必对它进行节能方面的考虑，即让它始终以最大输出功率与传感器节点进行通信，此动态调整功率命令只是针对采用锂电池进行供电的传感器节点，动态调整功率阶段可以使传感器节点调整到能够正常通信的最小输出功率，从而使它的耗电量达到最小。

上述一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，传感器节点的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段，其中传感器节点的初始化及组网阶段的步骤如下：

(1).上电自启动，传感器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；

(2).传感器节点初始化完成后，将接收来自网络协调器节点发送来的无线广播命令，传感器节点收到此命令后将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；

(3).随后传感器节点接收网络协调器节点发送来的调整功率命令，传感器节点根据接收命令中的功率进行功率调整，具体调整过程如权利要求2所述网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，最终调整为能进行通信的最小功率；

(4).上述阶段完成后，传感器节点收到网络协调器节点发送来的修改定时器命令，传感器节点会根据发送来的定时时间进行定时器的设置，并操控无线射频模块向网络协调器节点发送确认信号，之后再控制无线射频模块进入掉电休眠状态，此时开启定时器，开始计时，传感器节点也随即进入低功耗休眠模式，等待定时中断到来；

至此，传感器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：

a.定时时间到来，产生定时中断，将传感器节点从低功耗模式下唤醒，控制无线射频模块由掉电休眠状态进入RX接收状态，开始监听是否有来自网络协调器节点发送来的命令；

b.当传感器节点接收到来自网络协调器节点的传感采集命令时，该节点开始对传感数据进行采集、分析、处理并进行格式转换，然后操控无线射频模块进入发送状态TX，将数据无线发送给网络协调器节点。

c.当传感器节点接收到来自网络协调器节点的休眠命令时，该节点会根据发送来的定时时间进行定时器的设置，并操控无线射频模块向网络协调器节点发送确认信号，之后再控制无线射频模块进入掉电休眠状态，此时开启定时器，开始定时，传感器节点也随即进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断到来，此后，传感器节点将一直循环上述采集过程。

上述一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议的网络协调器节点或传感器节点的工作方法中，会出现异常情况，异常情况分为网络协调器节点不能正常工作或是传感器节点不能正常工作，分别进行如下处理：

1、网络协调器节点不能正常工作：若网络协调器节点因掉电或其他原因不能正常工作，则需要重新上电初始化，此时传感器节点将一直处于低功耗接收模式，等待射频命令的到来。

2、传感器节点不能正常工作：在最初的组网阶段中，网络协调器节点会为每个成功加入网络的传感器节点分配一个标志位，用来标示每个传感器节点是否在线，若传感器节点在星型网络中，则该标志位为1，否则该标志位将清0；在正常工作阶段，网络协调器节点在向每个传感器节点发送采集或休眠命令之前，它都会首先进行判断该节点是否在线；若该传感器节点在线，网络协调器节点才会进行发送，否则网络协调器节点会尝试连接此节点，若能与该传感器节点通信上，则将对应该传感器节点的标志位置位，双方将进入动态调整功率阶段，调整完功率以后，网络协调器节点才会向该节点发送采集或休眠命令；若依然与该传感器节点通信不上，则直接跳过发送命令阶段。注意，传感器节点每次与网络协调器节点重新连接成功时，双方都会进入动态调整功率阶段，以使传感器节点能够达到正常通信状态的最小输出功率，从而使传感器节点的耗电量降至最小。

本发明基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，其网络的节点中选用的是TI公司一款专为经济高效的无线系统在低功耗和低电压操作下实现高性能而设计的无线射频芯片CC1120，它是一款符合IEEE802.15.4g底层通信标准的芯片，但不限于此芯片，也可选用Analog Devices公司的高性能、低功耗收发器芯片ADF7023。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明的超低功耗无线测控通信协议是基于IEEE802.15.4g的底层标准设计的，该底层标准是针对大型而位置分散且兼具大量固定终端节点的无线测控网络应用而制定的，特别适用于超低功耗、要求远距离传输和上佳的抗噪声性能的电池驱动供电式的大型基础设施类无线传感器网络，像智能电网。尽管此标准支持的传输速率有限，但符合此标准的设备在通信时的功耗更低，这对于电池供电式设备来讲，可以长期不需要更换电池。而且此标准在设备允许的最大功率输出下提供更长的传输距离。

2、本发明中基于IEEE802.15.4g标准的超低功耗无线测控通信协议具有强大的超低功耗性能，该协议会使采用锂电池供电的传感器节点正常采集阶段的大部分时间都会处于低功耗休眠状态，然后定时醒来，判断有无射频信号的到来，之后再次进入低功耗休眠状态。而且失去连接的传感器节点每次与网络协调器节点重新连接成功时，双方会进入动态调整功率阶段，以使传感器节点能够达到正常通信状态的最小功率，从而使传感器节点的耗电量降至最小。另外此无线通信协议还可以在正常采集工作阶段，根据周围环境因素的变化情况，来实现动态地调整采集数据的时间间隔，还可以根据需要实现动态地添加或删除节点等功能。

3、本发明中基于IEEE802.15.4g标准的超低功耗无线测控通信协议应用于1GHz以下频段，该频段相比于2.4GHz频段，具有传输距离长，传输过程衰减较小，信号的穿透、绕射能力强，而且多路径传播负面效应小，另外，该频段的信号干扰更小，而2.4GHz的频段目前则十分拥挤，存在Zigbee、WIFI、蓝牙等多种不同标准，相互之间的干扰较大。而由于通常电网系统的环境状况比较复杂的，再加上人员、车辆的遮挡和各类设备之间的相互干扰，若采用2.4GHz频段的信号，该频段信号本身传输距离就短、信号穿透能力差、再加上传输衰减大，其信号在电网系统中实际传输距离将会大大缩短，甚至收不到信号，因此本发明的无线通信协议选用1GHz以下通信频段。

4、微处理器采用的是TI公司在MSP430系列单片机中推出的一款具有革命性突破的超低功耗的混合信号微控制器MSP430F5438A，其峰值高达25MHz，并拥有更高的RAM存储容量与闪存空间，且具有强大的处理能力，并提供了丰富的集成外设，另外，它还具有一个最大的优势就是它的超群的低功耗性能，其采用1.8-3.6V电源电压供电，芯片工作电流仅为165uA/MHz，低功耗休眠模式下电流低至2.6uA。

5、本发明采用的无线射频芯片CC1120是TI公司一款专为经济高效的无线系统在低功耗和低电压操作下实现高性能而设计的芯片。它应用于1GHz以下的ISM/SRD频段，是一款具有体积小、集成度高、功耗低、性价比高等特点，并符合美国IEEE802委员会正在推进的IEEE802.15.4g底层通信标准的芯片。

附图说明

图1是本发明系统中星型网络拓扑结构图。其中：1、网络协调器节点，2、传感器节点，3、PC上位机。

图2是本发明系统的网络协调器节点的结构示意图。其中：4、微处理器，5、CC1120射频通信模块，6、USB转串口模块，7、电源管理模块，8、Jtag接口，9、USB接口。

图3是本发明系统的传感器节点的结构示意图。其中：10、微处理器，11、CC1120射频通信模块，12、Jtag接口，13、供电模块，14、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。

实施例：

一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，如图1-3所示，采用星型拓扑网络对无线传感器网络中的节点进行监测与控制，无线传感器网络包括PC上位机3、网络协调器节点1和传感器节点2，其中所有的传感器节点2均与网络协调器节点1通过无线射频来传递信号；网络协调器节点1与PC上位机3相连接；网络协调器节点1包括微处理器4、CC1120射频通信模块5、USB转串口模块6、电源管理模块７、Jtag接口8和USB接口9，其中CC1120射频通信模块5、USB转串口模块6、电源管理模块7、Jtag接口8分别与微处理器4相连接，USB转串口模块6和电源管理模块7分别与USB接口9相连接，USB接口9通过数据线与PC上位机3相连接；传感器节点2包括微处理器１0、CC1120射频通信模块11、Jtag接口12、供电模块13、温度传感器14，其中CC1120射频通信模块11、Jtag接口12、供电模块13、温度传感器14分别与微处理器10相连接。网络协调器节点1负责网络的建立、管理和维护工作，同时还负责与PC上位机3进行数据通信，能够接收处理来自PC上位机3的命令或者将从传感器节点2采集的传感数据上传至PC上位机3，从而方便管理人员实时掌握被监测地区的各项环境指标；而大量的传感器节点2广泛分布在被监测地区的不同地点，负责采集监测地点的各类传感数据，通过传感器节点2中的CC1120射频通信模块11将数据发送给网络协调器节点1进行处理；

网络协调器节点1的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段两步，其中网络协调器节点1的初始化及组网阶段的步骤如下：

(1).上电自启动，网络协调器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；

(2).网络协调器节点初始化阶段完成以后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送来的组网命令，此时网络协调器节点会向所有传感器节点（所有传感器节点地址初始化为统一的0x00）发送广播命令，传感器节点收到此命令后会将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；

(3).完成上述过程后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的调整功率命令，网络协调器节点会依次与每个传感器节点进入动态调整功率阶段，其中通信双方在初始化阶段均设定为最大输出功率；

(4).上述阶段完成后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的修改定时器命令，此命令中包含休眠时间间隔，此时网络协调器节点将依次向每个传感器节点发送修改定时器的命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为此节点仍在星型网络中；若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该节点；

(5)．网络协调器节点在与每个传感器节点通信完成后，将会以上述接收到的休眠时间间隔启动定时器，开始定时，网络协调器节点随即进入低功耗休眠模式，等待串口中断或定时中断的到来；

至此，网络协调器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：

a.当有中断到来时，网络协调器节点会从低功耗休眠模式下唤醒，此时会判断是何种中断到来，若为串口中断则网络协调器进入步骤b；若为定时中断，则进入步骤d；

b.若为串口中断到来，网络协调器节点将对PC上位机命令进行解析处理，判断是何种命令，进而执行相应的处理程序；

若网络协调器节点接收到修改定时时间命令，则网络协调器节点会根据接收到的定时时间修改定时器，然后在下次发送休眠命令时将新的定时时间发送给传感器节点，传感器节点也会相应的修改它的定时时间，此后网络协调器节点和传感器节点将都能够以新的采集间隔时间进行休眠，双方的定时器也将以新的定时时间开始计时；

若网络协调器节点接收到增加节点命令，则网络协调器节点根据增加的节点个数，多分配相应的存储空间，来存放新增加传感器节点的地址；

若网络协调器节点接收到删除节点命令，则网络协调器节点根据删除的节点个数，来删除相应的地址存储空间；

c.当网络协调器节点处理PC上位机命令完成以后，判断定时中断标志位是否置位，若定时中断标志位没有置位，则表明定时时间还没有来临，则网络协调器节点进入步骤h；若该标志位已经置位，表明在网络协调器节点对PC上位机命令处理过程中，定时中断来临将此标志位置位，等待将串口命令处理完成后，网络协调器节点将进入步骤d；

d.若定时中断来临，则网络协调器节点进入正常的采集数据阶段，此时网络协调器节点会首先关闭串口中断，然后网络协调器节点将依次与每个传感器节点进行通信；

e.首先判断该传感器节点是否在线；

若该传感器节点在线，网络协调器节点将向其发送采集命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的传感数据，则将传感数据上传至PC上位机进行显示；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的传感数据，则网络协调器节点再次发送同样的采集命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的传感数据，若重复发送三次同样命令后仍没收到发回的传感数据则直接跳过该传感器节点的上传数据阶段并认为该传感器节点失去连接；

若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的采集上传过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送采集命令、接收传感数据、上传数据阶段，进入步骤f；

f.当网络协调器节点采集上传完某个传感器节点的数据后，网络协调器节点将向该传感器节点发送休眠命令，在发送休眠命令前，网络协调器节点首先判断该传感器节点是否在线：

若该传感器节点在线，则网络协调器节点将向其发送休眠命令，若网络协调器节点收到传感器节点发回的确认信号，则认为该传感器节点在线；若没收到发送回的确认信号，则再次发送同样的休眠命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该传感器节点；

若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送休眠命令、接收确认信号阶段；

当网络协调器节点与该传感器节点通信完成以后，其中通信完成包括采集上传完成和发送休眠命令完成这两个阶段，也包括两阶段中任一阶段通信失败的情况，网络协调器节点会判断是否与所有传感器节点都通信过，若没有，则网络协调器节点将与下一个传感器节点进行通信，网络协调器节点重新进入步骤e；若网络协调器节点与所有传感器节点都通信完成，则网络协调器节点进入步骤g；

g.网络协调器节点将定时中断标志位清零，然后以预先设置的定时时间启动定时器，定时开始，同时开启之前已经关闭的串口接收中断；

h.网络协调器节点重新进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断或串口中断的到来，此后，网络协调器节点将一直循环上述过程。

上述通信协议的网络协调器节点的工作方法中，初始化及组网阶段中步骤（3）、正常工作阶段中步骤e和步骤f所述的网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，步骤如下：

(1).网络协调器节点首先将调整为最大输出功率的命令发送给传感器节点，若该传感器节点接收到此命令，将自身输出功率设置为最大输出功率，然后向网络协调器节点发送回确认信号；

(2).若网络协调器节点没有收到此确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为此传感器节点失去连接；若网络协调器节点收到此确认信号，则认为在此输出功率级别下，传感器节点能与网络协调器节点进行通信，然后网络协调器节点会将降低一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，传感器节点收到此命令，将自身输出功率降低一级，然后向网络协调器节点发送回确认信号；

若网络协调器节点没有收到确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为此输出功率级通信失败；

若网络协调器节点收到此确认信号，则认为在此输出功率级别下，传感器节点能与网络协调器节点进行通信，然后网络协调器节点会再次将降低一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，重复上述过程，直至传感器节点的输出功率调整至最低输出功率或在某一级输出功率处网络协调器节点收不到确认信号；

若传感器节点功率调整至最低输出功率，仍可与网络协调器节点进行通信，则传感器节点将以最低输出功率与网络协调器节点进行通信，调整功率阶段也随即结束；

若传感器节点重复降低自身输出功率至某一级输出功率处网络协调器节点收不到传感器节点发送回的确认信号，则进入步骤(3)；

(3).网络协调器节点会将升高一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为传感器节点将自身输出功率升高一级，并以此输出功率进行通信，调整功率阶段也随即结束；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则说明通信网络不稳定（因为之前传感器节点可以以此输出功率进行通信，降低一级输出功率后传感器节点不可以通信，然后传感器节点重新再升高一级至此输出功率，此时却不可以通信了），进入步骤(4)；

(4).此时网络协调器节点会向传感器节点发送调整为最大输出功率的命令，传感器节点收到此命令后会将自身输出功率设置为最大输出功率，然后向网络协调器节点发送确认信号，若网络协调器节点收到此确认信号，则传感器节点以最大输出功率进行通信，若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则网络协调器节点认为此传感器节点失去连接，至此调整功率阶段完成。

注意：1、网络协调器节点每次向传感器节点发送功率调整命令后，若没有收到确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号；如网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到传感器节点发回的确认信号则认为此输出功率级通信失败。2、由于网络协调器节点供电方式的灵活性与多样性，因此可以不必对它进行节能方面的考虑，即让它始终以最大输出功率与传感器节点进行通信，此动态调整功率命令只是针对采用锂电池进行供电的传感器节点，动态调整功率阶段可以使传感器节点调整到能够正常通信的最小输出功率，从而使它的耗电量达到最小。

上述一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，传感器节点的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段，其中传感器节点的初始化及组网阶段的步骤如下：

(1).上电自启动，传感器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；

(2).传感器节点初始化完成后，将接收来自网络协调器节点发送来的无线广播命令，传感器节点收到此命令后将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；

(3).随后传感器节点接收网络协调器节点发送来的调整功率命令，传感器节点根据接收命令中的功率进行功率调整，具体调整过程如权利要求2所述网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，最终调整为能进行通信的最小功率；

(4).上述阶段完成后，传感器节点收到网络协调器节点发送来的修改定时器命令，传感器节点会根据发送来的定时时间进行定时器的设置，并操控无线射频模块向网络协调器节点发送确认信号，之后再控制无线射频模块进入掉电休眠状态，此时开启定时器，开始计时，传感器节点也随即进入低功耗休眠模式，等待定时中断到来；

至此，传感器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：

a.定时时间到来，产生定时中断，将传感器节点从低功耗模式下唤醒，控制无线射频模块由掉电休眠状态进入RX接收状态，开始监听是否有来自网络协调器节点发送来的命令；

b.当传感器节点接收到来自网络协调器节点的传感采集命令时，该节点开始对传感数据进行采集、分析、处理并进行格式转换，然后操控无线射频模块进入发送状态TX，将数据无线发送给网络协调器节点。

c.当传感器节点接收到来自网络协调器节点的休眠命令时，该节点会根据发送来的定时时间进行定时器的设置，并操控无线射频模块向网络协调器节点发送确认信号，之后再控制无线射频模块进入掉电休眠状态，此时开启定时器，开始定时，传感器节点也随即进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断到来，此后，传感器节点将一直循环上述采集过程。

Claims (3)

1.一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，采用星型拓扑网络对无线传感器网络中的节点进行监测与控制，无线传感器网络包括PC上位机、网络协调器节点和传感器节点，其中所有的传感器节点均与网络协调器节点通过无线射频来传递信号；网络协调器节点与PC上位机相连接；网络协调器节点包括微处理器、CC1120射频通信模块、USB转串口模块、电源管理模块、Jtag接口和USB接口，其中CC1120射频通信模块、USB转串口模块、电源管理模块、Jtag接口分别与微处理器相连接，USB转串口模块和电源管理模块分别与USB接口相连接，USB接口通过数据线与PC上位机相连接；传感器节点包括微处理器、CC1120射频通信模块、Jtag接口、供电模块、温度传感器，其中CC1120射频通信模块、Jtag接口、供电模块、温度传感器分别与微处理器相连接；网络协调器节点负责网络的建立、管理和维护工作，同时还负责与PC上位机进行数据通信，能够接收处理来自PC上位机的命令或者将从传感器节点采集的传感数据上传至PC上位机，从而方便管理人员实时掌握被监测地区的各项环境指标；而大量的传感器节点广泛分布在被监测地区的不同地点，负责采集监测地点的各类传感数据，通过传感器节点中的CC1120射频通信模块将数据发送给网络协调器节点进行处理；

网络协调器节点的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段两步，其中网络协调器节点的初始化及组网阶段的步骤如下：

(1). 上电自启动，网络协调器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；

(2). 网络协调器节点初始化阶段完成以后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送来的组网命令，此时网络协调器节点会向所有传感器节点发送广播命令，传感器节点收到此命令后会将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；

(3). 完成上述过程后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的调整功率命令，网络协调器节点会依次与每个传感器节点进入动态调整功率阶段，其中通信双方在初始化阶段均设定为最大输出功率；

(4). 上述阶段完成后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的修改定时器命令，此命令中包含休眠时间间隔，此时网络协调器节点将依次向每个传感器节点发送修改定时器的命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为此节点仍在星型网络中；若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该节点；

(5)．网络协调器节点在与每个传感器节点通信完成后，将会以上述接收到的休眠时间间隔启动定时器，开始定时，网络协调器节点随即进入低功耗休眠模式，等待串口中断或定时中断的到来；

至此，网络协调器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：

a. 当有中断到来时，网络协调器节点会从低功耗休眠模式下唤醒，此时会判断是何种中断到来，若为串口中断则网络协调器进入步骤b；若为定时中断，则进入步骤d；

b. 若为串口中断到来，网络协调器节点将对PC上位机命令进行解析处理，判断是何种命令，进而执行相应的处理程序；

若网络协调器节点接收到修改定时时间命令，则网络协调器节点会根据接收到的定时时间修改定时器，然后在下次发送休眠命令时将新的定时时间发送给传感器节点，传感器节点也会相应的修改它的定时时间，此后网络协调器节点和传感器节点将都能够以新的采集间隔时间进行休眠，双方的定时器也将以新的定时时间开始计时；

  若网络协调器节点接收到增加节点命令，则网络协调器节点根据增加的节点个数，多分配相应的存储空间，来存放新增加传感器节点的地址；

  若网络协调器节点接收到删除节点命令，则网络协调器节点根据删除的节点个数，来删除相应的地址存储空间；

       c. 当网络协调器节点处理PC上位机命令完成以后，判断定时中断标志位是否置位，若定时中断标志位没有置位，则表明定时时间还没有来临，则网络协调器节点进入步骤h；若该标志位已经置位，表明在网络协调器节点对PC上位机命令处理过程中，定时中断来临将此标志位置位，等待将串口命令处理完成后，网络协调器节点将进入步骤d；

d. 若定时中断来临，则网络协调器节点进入正常的采集数据阶段，此时网络协调器节点会首先关闭串口中断，然后网络协调器节点将依次与每个传感器节点进行通信；

e. 首先判断该传感器节点是否在线；

若该传感器节点在线，网络协调器节点将向其发送采集命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的传感数据，则将传感数据上传至PC上位机进行显示；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的传感数据，则网络协调器节点再次发送同样的采集命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的传感数据，若重复发送三次同样命令后仍没收到传感器节点发回的传感数据则直接跳过该传感器节点的上传数据阶段并认为该传感器节点失去连接；

若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的采集上传过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送采集命令、接收传感数据、上传数据阶段，进入步骤f；

       f. 当网络协调器节点采集上传完某个传感器节点的数据后，网络协调器节点将向该传感器节点发送休眠命令，在发送休眠命令前，网络协调器节点首先判断该传感器节点是否在线：

若该传感器节点在线，则网络协调器节点将向其发送休眠命令，若网络协调器节点收到传感器节点发回的确认信号，则认为该传感器节点在线；若没收到发送回的确认信号，则再次发送同样的休眠命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该传感器节点；

若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上面步骤f所述的在线节点的过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送休眠命令、接收确认信号阶段；

当网络协调器节点与该传感器节点通信完成以后，其中通信完成包括采集上传完成和发送休眠命令完成这两个阶段，也包括两阶段中任一阶段通信失败的情况，网络协调器节点会判断是否与所有传感器节点都通信过，若没有，则网络协调器节点将与下一个传感器节点进行通信，网络协调器节点重新进入步骤e；若网络协调器节点与所有传感器节点都通信完成，则网络协调器节点进入步骤g；

g. 网络协调器节点将定时中断标志位清零，然后以预先设置的定时时间启动定时器，定时开始，同时开启之前已经关闭的串口接收中断；

h.网络协调器节点重新进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断或串口中断的到来，此后，网络协调器节点将一直循环上述过程。

2.如权利要求1所述的一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，在网络协调器节点的工作方法中，初始化及组网阶段中步骤（3）、正常工作阶段中步骤e或步骤f所述的网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，步骤如下：

(1). 网络协调器节点首先将调整为最大输出功率的命令发送给传感器节点，该传感器节点接收到此命令，将自身输出功率设置为最大输出功率，然后向网络协调器节点发送回确认信号；

(2). 若网络协调器节点没有收到此确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为此传感器节点失去连接；若网络协调器节点收到此确认信号，则认为在此输出功率级别下，传感器节点能够与网络协调器节点进行通信，然后网络协调器节点会将降低一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，传感器节点收到此命令，将自身输出功率降低一级，然后向网络协调器节点发送回确认信号；

若网络协调器节点没有收到确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为此输出功率级通信失败；

若网络协调器节点收到此确认信号，则认为在此输出功率级别下，传感器节点能与网络协调器节点进行通信，然后网络协调器节点会再次将降低一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，重复上述过程，直至传感器节点的输出功率调整至最低输出功率或在某一级输出功率处网络协调器节点收不到确认信号；

若传感器节点功率调整至最低输出功率，仍可与网络协调器节点进行通信，则传感器节点将以最低输出功率与网络协调器节点进行通信，调整功率阶段也随即结束；

若传感器节点重复降低自身输出功率至某一级输出功率处网络协调器节点收不到传感器节点发送回的确认信号，则进入步骤(3)；

(3). 网络协调器节点会将升高一级的输出功率调整命令发送给传感器节点，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为传感器节点将自身输出功率升高一级，并以此输出功率进行通信，调整功率阶段也随即结束；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的确认信号，则会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则说明通信网络不稳定，进入步骤(4)；

(4). 此时网络协调器节点会向传感器节点发送调整为最大输出功率的命令，传感器节点收到此命令后会将自身输出功率设置为最大输出功率，然后向网络协调器节点发送确认信号，若网络协调器节点收到此确认信号，则传感器节点以最大输出功率进行通信，若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则网络协调器节点认为此传感器节点失去连接，至此调整功率阶段完成。

3.如权利要求1所述的一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，传感器节点的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段，其中传感器节点的初始化及组网阶段的步骤如下：

(1). 上电自启动，传感器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；

(2). 传感器节点初始化完成后，将接收来自网络协调器节点发送来的无线广播命令，传感器节点收到此命令后将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；

(3). 随后传感器节点接收网络协调器节点发送来的调整功率命令，传感器节点根据接收命令中的功率进行功率调整，具体调整过程如权利要求2所述网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，最终调整为能进行通信的最小功率；

 (4). 上述阶段完成后，传感器节点收到网络协调器节点发送来的修改定时器命令，传感器节点会根据发送来的定时时间进行定时器的设置，并操控无线射频模块向网络协调器节点发送确认信号，之后再控制无线射频模块进入掉电休眠状态，此时开启定时器，开始计时，传感器节点也随即进入低功耗休眠模式，等待定时中断到来；

至此，传感器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：

a. 定时时间到来，产生定时中断，将传感器节点从低功耗模式下唤醒，控制无线射频模块由掉电休眠状态进入RX接收状态，开始监听是否有来自网络协调器节点发送来的命令；

b.当传感器节点接收到来自网络协调器节点的传感采集命令时，该节点开始对传感数据进行采集、分析、处理并进行格式转换，然后操控无线射频模块进入发送状态TX，将数据无线发送给网络协调器节点；

c. 当传感器节点接收到来自网络协调器节点的休眠命令时，该节点会根据发送来的定时时间进行定时器的设置，并操控无线射频模块向网络协调器节点发送确认信号，之后再控制无线射频模块进入掉电休眠状态，此时开启定时器，开始定时，传感器节点也随即进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断到来，此后，传感器节点将一直循环上述采集过程。